多因素影響下自升式平臺抗臺風結(jié)構(gòu)強度評估

郝林,張少洋

(中海油安全技術(shù)服務有限公司,天津 300457)

東海海域某作業(yè)區(qū)塊處于夏季臺風活動覆蓋區(qū)域,環(huán)境條件比較惡劣。在東海區(qū)域作業(yè)的自升式鉆井平臺可能受到臺風威脅。雖然在操船手冊中給出了風暴自存狀態(tài)下的工況條件,但不同海域環(huán)境參數(shù)差異較大,自升式平臺的固定載荷、可變載荷等會有變化。當臺風來臨前調(diào)整鉆井平臺的懸臂梁的外伸長度、固定載荷、可變載荷,能有效降低結(jié)構(gòu)損傷風險。另外,由正常作業(yè)狀態(tài)調(diào)整到抗臺風狀態(tài)時,調(diào)整的工作越多,時間越長,經(jīng)濟效益越低,如何調(diào)整到合理的抗臺狀態(tài)是現(xiàn)場勘探開發(fā)作業(yè)重點關(guān)注的內(nèi)容[1]。為此,采用有限元軟件結(jié)合新作業(yè)井位的環(huán)境條件對平臺結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行評估,對不同參數(shù)的敏感性進行分析,給出不同環(huán)境條件下平臺的限制工況,為抗臺應急預案提供決策依據(jù)。

1 自升式平臺概述

平臺船型為三角形船體,帶有3個三角形桁架樁腿,樁腿位置如下:前樁腿位于平臺中心線上,2個后樁腿距前樁腿45.72 m,位于中心線兩側(cè)23.774 m處。平臺參數(shù)見表1,懸臂梁參數(shù)見表2。懸臂梁設計載荷包括立根載荷、轉(zhuǎn)盤載荷、大鉤載荷、套管/BOP張力載荷。

表1 平臺相關(guān)參數(shù)

表2 懸臂梁設計載荷

2 有限元模型

2.1 懸臂梁有限元模型

懸臂梁尺度是懸臂梁的重要參數(shù),關(guān)系到平臺1次就位鉆井數(shù)量和平臺主尺度的確定。懸臂梁存在回收存放和外伸作業(yè)兩種狀態(tài),回收存放時懸臂梁全部位于平臺內(nèi),平臺主尺度需要滿足懸臂梁存放要求;外伸作業(yè)時,其伸出平臺外的長度直接關(guān)系到平臺1次就位鉆井數(shù)量。

懸臂梁采用有限元方法進行計算時,將懸臂梁簡化為板、梁模型[2-3]。利用 Shell63 殼單元來模擬懸臂梁和橫向軌道各面板結(jié)構(gòu),Beam188 梁單元來模擬懸臂梁和橫向軌道扶強材等構(gòu)件。總體坐標系X正向指向船艏,Y正向指向左舷,Z正向垂直海平面向上。坐標原點選在選在懸臂梁B肋位和懸臂梁基線交點位置。幾何模型主要考慮板材以及加強結(jié)構(gòu)的空間位置,T型材面板采用殼單元進行模擬。對于板厚,設置對應的實常數(shù)。結(jié)合懸臂梁支撐座、卡槽、導向座及鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)圖,在船艉處以及船體鎖緊位置約束懸臂梁的自由度,鎖緊裝置結(jié)構(gòu)形式見圖1。對幾何模型劃分網(wǎng)格,共計26 732個節(jié)點,36 386個單元,有限元模型見圖2。

圖1 懸臂梁鎖緊裝置約束

圖2 懸臂梁有限元模型

2.2 樁腿有限元模型

根據(jù)樁腿圍井結(jié)構(gòu)圖,樁腿結(jié)構(gòu)圖按照實際尺寸建立平臺及樁腿幾何模型,平臺整體位置關(guān)系為氣隙16.5 m,水深90 m(校核高水位),樁靴底部在泥面以下19.1 m。根據(jù)《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》的要求,鉸支點取在樁靴高度的一半處。對幾何模型劃分網(wǎng)格,共計26 732個節(jié)點,36 386個單元,樁腿與船體連接位置在模型中通過節(jié)點耦合的方式連接樁腿與船體。

有限元模型見圖3、4,載荷加載采用MPC184單元,將計算載荷的坐標位置與載荷作用區(qū)域進行耦合,載荷加載方式見圖5。

圖3 船體有限元模型

圖4 樁腿有限元模型

圖5 模型約束與加載

3 載荷工況

3.1 懸臂梁載荷

風荷載根據(jù)《ABS Rules for Building and Classing Offshore Mobile Drilling Units》計算,計算公式為

(1)

F=pA

(2)

式中:F為風載荷,N;p為風壓,Pa;f=0.611;V為設計風速,m/s;Ch為受風構(gòu)件高度系數(shù),其值根據(jù)規(guī)范選取;Cs為受風構(gòu)件形狀系數(shù),對于圓柱形構(gòu)件取0.5,對于平臺船體結(jié)構(gòu)取1.0;S為受風構(gòu)件正投影面積,m2。

懸臂梁計算風速作業(yè)工況為36 m/s,自存工況為51.5 m/s,懸臂梁局部計算選取了0°、45°、90°、135°、180°共5個方向進行校核。以作業(yè)工況為例,計算的懸臂梁風載荷見表3。

表3 作業(yè)工況懸臂梁風載荷

參考裝載手冊給出懸臂梁固定載荷與可變載荷,以作業(yè)工況為例,載荷分布見表4。

表4 作業(yè)工況懸臂梁載荷分布

3.2 樁腿載荷

1)風載荷。風載荷的計算方法與懸臂梁的方法一致,根據(jù)受風面積計算船體以及氣隙區(qū)的樁腿風載荷。

2)波流載荷。小尺度圓形構(gòu)件按Morison公式計算,在有限元軟件中通過設定波浪參數(shù)、海流參數(shù)、拖曳力系數(shù)以及慣性力系數(shù),即可計算出波流載荷。

3)慣性載荷。最大慣性力計算公式如下。

(3)

式中:Fi為慣性力;DAF為動力放大系數(shù);Fmax,Fmin為最大/最小波流載荷。

通過單自由度系統(tǒng)計算動力放大系數(shù)(DAF)。計算公式如下[4]。

(4)

依據(jù)Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME)《Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units》中的section 7.3.5 &Ref.3 part3 chapter2 section3 5.9計算自升式鉆井平臺自振周期Tn,結(jié)合波浪周期計算動力方大系數(shù)。根據(jù)式(3)最終計算出慣性載荷,結(jié)果見表5。

表5 慣性載荷列表

4)P-Delta效應。將固定載荷、可變載荷、風載荷以及波流載荷施加于有限元模型,求出各工況下的水平位移,進一步求出P-Delta作用下的附加彎矩,見表6。

表6 P-Delta附加彎矩

4 計算結(jié)果

4.1 懸臂梁強度分析

將風載荷、固定載荷、可變載荷加載到有限元模型[5-8],計算不同工況下的懸臂梁等效應力以及位移,最大應力出現(xiàn)在懸臂梁外伸與船艉相接觸截面,如圖5所示。懸臂梁側(cè)板在下部為EQ56材質(zhì),中部為EQ36材質(zhì),對應的許用強度不同,相應位置的等效應力計算結(jié)果,見表7,許用應力為90%的屈服強度。

表7 懸臂梁有限元計算結(jié)果

計算表明,各工況下懸臂梁的強度滿足規(guī)范要求。比較發(fā)現(xiàn),風暴狀態(tài)懸臂梁外伸22.9 m,

在風向135°時受力最大,達到411 MPa,UC值為0.83。懸臂梁本體結(jié)構(gòu)強度有一定裕量,單從懸臂梁本體結(jié)構(gòu)強度而言,在風暴自存條件下可以保持外伸狀態(tài)。

4.2 樁腿強度分析

計算表明,弦桿為最危險構(gòu)件,因此僅給出弦桿的校核結(jié)果。弦桿屈服強度690 MPa,經(jīng)計算樁腿底部許用壓縮應力為501 MPa,依據(jù)計算的許用應力計算最危險構(gòu)件的UC值,匯總于表8。

表8 樁腿應力計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果,在120°載荷方向時樁腿根部弦桿強度不滿足要求,其他各載荷方向滿足強度校核要求。

4.3 樁腿強度敏感性分析

調(diào)整影響樁腿強度的各項參數(shù),進行敏感性分析。從計算分析的角度可調(diào)整參數(shù)為①波浪參數(shù),考慮不同作業(yè)海域的波浪參數(shù),分析不同波浪參數(shù)對平臺的影響;②樁靴入泥深度,平臺運營方將平臺拖運至作業(yè)區(qū)塊確定入泥深度的依據(jù);③可變載荷與懸臂梁位置,抗臺準備階段確定可變載荷與懸臂梁外伸長度。

4.3.1 波高

在120°載荷方向樁腿強度不滿足要求,根據(jù)風載荷、波流載荷、慣性載荷計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)平臺的慣性載荷過大。慣性載荷與波流載荷大小以及動力放大系數(shù)有關(guān)。由于平臺自振周期與東海作業(yè)海域波浪周期較為接近,導致動力放大系數(shù)較大。同時,在50年重現(xiàn)期下的最大波高以及流速下,波流載荷較大。

當調(diào)整波浪參數(shù),不僅可以使平臺整體波流載荷減小,還可以減小慣性載荷。如果調(diào)整風速,或者將22.9 m懸臂梁收回,減小的風載荷有限。當調(diào)整波高,重新計算樁腿應力。目前波高為20.6 m,經(jīng)試算在波高17.2 m時,波流載荷為6 224 kN,慣性力載荷為6 225 kN,樁腿最大UC值為1,滿足規(guī)范要求。

4.3.2 樁靴入泥深度

調(diào)整樁靴底部距泥面距離,增大風速,以計算當構(gòu)件UC值為1時對應的最大風速。

根據(jù)《鉆井平臺拖航與就位作業(yè)規(guī)范》,平臺艏向的選擇,應以占優(yōu)勢的主導風、流為依據(jù),自升式平臺應采用橫風和/或橫流的方向作為平臺艏向。實際作業(yè)中通常按照載荷方向90°布置,因此僅計算90°載荷方向工況。

不同入泥深度時對應最大允許風速見表9。

表9 不同樁靴入泥深度對應最大風速表

4.3.3 可變載荷及懸臂梁位置

調(diào)整平臺可變載荷,一方面降低了樁腿承受的垂向載荷;另一方面,由于平臺的自振周期變化,其動力放大系數(shù)隨之改變,進一步影響了平臺慣性載荷。因此通過降低自存工況下平臺可變載荷計算樁腿結(jié)構(gòu)強度,可變載荷的調(diào)整基于自升式平臺的實際作業(yè)情況,見表10。

表10 調(diào)整后平臺可變載荷

計算考慮樁靴入泥深度14.5 m的情況,在上述分析中,限制工況為120°載荷工況,因此重點計算此方向下樁腿的結(jié)構(gòu)強度。

根據(jù)動力放大系數(shù)計算方法計算調(diào)整可變載荷后的動力放大系數(shù),結(jié)合120°載荷工況的波流載荷,計算對應的慣性力載荷。在“調(diào)整2”工況下同時減小懸臂梁外伸距離,可以進一步降低樁腿UC值,計算結(jié)果見表11。

表11 調(diào)整后有限元計算結(jié)果

降低可變載荷(見表10),以及減小懸臂梁外伸距離對平臺結(jié)構(gòu)都是有利的。計算表明,在樁靴入泥14.5 m時,懸臂梁外伸12 m,可變載荷控制在955.1 t時,各載荷工況滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

5 結(jié)論

采用有限元方法,對自升式平臺抗臺狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強度進行分析,從波高、樁腿入泥深度、可變載荷以及懸臂梁外伸出距離等因素進行敏感性分析,結(jié)果表明:

1)各工況下懸臂梁的強度均滿足規(guī)范要求。其中最危險工況為風暴自存狀態(tài)懸臂梁外伸22.9 m,風向135°,此時應力達到411 MPa(UC值為0.83)。

2)波流載荷、慣性載荷、風載荷在自存工況遠大于作業(yè)工況,首先采用操船手冊中的數(shù)據(jù)進行初步計算分析,分析中采用的環(huán)境條件為50年重現(xiàn)期的波流條件(最大波高20.6 m,波浪周期12.4 s,表面流速2.2 m),風速取51.5 m/s,計算表明,120°載荷方向桿件最大UC值為1.11,不滿足規(guī)范要求,其他方向UC值均小于1,滿足規(guī)范要求。

3)調(diào)整波高、樁腿入泥深度、可變載荷以及懸臂梁外伸出距離,其中波高受限于作業(yè)環(huán)境,無法調(diào)整,但根據(jù)樁腿強度反推了允許波高。平臺現(xiàn)場對可變載荷以及懸臂梁外伸出距離可以調(diào)整,由于平臺的重量發(fā)生變化其自振周期以及動力放大系數(shù)隨之改變,進一步影響了平臺慣性載荷。計算表明,在樁靴入泥14.5 m時,懸臂梁外伸12 m,可變載荷控制在955.1 t時,滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

4)不同地區(qū)環(huán)境條件差異較大,需要根據(jù)實際工況計算允許的可變載荷以及懸臂梁外伸量。